彈載多功能智能一體化技術(shù)思考

王 琦，黃中華，吳明宇，姜 磊

（1.中國(guó)航天科工集團(tuán)8511 研究所，江蘇 南京 210007；2.中國(guó)人民解放軍 93929 部隊(duì)，北京 100843）

0 引言

為完成信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中的作戰(zhàn)任務(wù)，導(dǎo)彈武器系統(tǒng)都必不可少地裝備雷達(dá)、通信、被動(dòng)導(dǎo)引、電子突防等各種信息設(shè)備，信息設(shè)備在彈載平臺(tái)系統(tǒng)中的重要程度以及所占的成本、體積、質(zhì)量、功耗比例日益擴(kuò)大。這與有限的彈載平臺(tái)資源產(chǎn)生了難以調(diào)和的矛盾，此外，多型信息設(shè)備各自獨(dú)立設(shè)計(jì)，通用性、模塊化難以保證，有效協(xié)同配合作戰(zhàn)難以實(shí)現(xiàn)，適應(yīng)瞬息萬變的復(fù)雜電磁作戰(zhàn)環(huán)境的能力嚴(yán)重不足。

必須探尋能提高系統(tǒng)效能、適應(yīng)現(xiàn)代導(dǎo)彈戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境需求的新思路和新方法。為此，以提高彈載信息裝備智能化水平為核心，具備自主精確感知能力、高效突防能力、準(zhǔn)確打擊能力以及評(píng)估反饋能力的多功能一體化作戰(zhàn)成為未來彈載信息裝備發(fā)展的必然趨勢(shì)。

彈載信息裝備實(shí)現(xiàn)多功能智能一體化，可動(dòng)態(tài)分配系統(tǒng)資源、各功能相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，在具備高效突防能力上提高系統(tǒng)的認(rèn)知探測(cè)能力，實(shí)現(xiàn)資源快速共享，以最低的成本實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳效能，顯著提高導(dǎo)彈生存能力和作戰(zhàn)效能。對(duì)實(shí)現(xiàn)武器裝備信息化和信息裝備武器化具有重要意義。

多功能與智能化方向的獨(dú)立文章發(fā)表比較多，但兩者結(jié)合的統(tǒng)一研究很少，本文分析了多功能智能化概念與機(jī)理，指出彈載發(fā)展的必然性，給出發(fā)展思路。

1 智能一體化概念與機(jī)理

智能一體化是指多功能與智能的有機(jī)構(gòu)成，多功能不是簡(jiǎn)單的功能疊加組合，而是智能協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的高效、靈活利用。智能化確定發(fā)射雷達(dá)、通信、干擾信號(hào)時(shí)間、波形、能量，根據(jù)探測(cè)、通信、干擾等需求智能、精準(zhǔn)、高效接收處理電磁信號(hào)，在時(shí)頻空能四域?qū)崿F(xiàn)信號(hào)多域智能操控，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的偵干探通、導(dǎo)引等多種功能。

智能一體化是多功能系統(tǒng)綜合效能優(yōu)勢(shì)的一種表現(xiàn)方式。探索智能一體化產(chǎn)生機(jī)理，是科學(xué)描述多功能協(xié)同電子系統(tǒng)涌現(xiàn)性和研究系統(tǒng)效能優(yōu)勢(shì)“為什么能如此”的重要基礎(chǔ)。概言之，智能一體化涌現(xiàn)性由組成效應(yīng)、結(jié)構(gòu)效應(yīng)、交互效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)四者共同造就。

1）組成效應(yīng)

系統(tǒng)是由元素或成分構(gòu)成的，涌現(xiàn)性歸根結(jié)底來自系統(tǒng)的元素或成分，這是涌現(xiàn)論的唯物主義根基。智能一體化系統(tǒng)涌現(xiàn)性來源于系統(tǒng)中的各組成部分的基本特性，并受到這些基本特性的制約，不可能任意涌現(xiàn)出脫離組成部分基本特性的性質(zhì)。例如，彈載智能一體化系統(tǒng)的射頻干擾能力取決于發(fā)射單元的工作頻段、功率等基本特性，不可能脫離射頻單元的特性，更不可能涌現(xiàn)出類似紅外對(duì)抗的其它特性。

2）結(jié)構(gòu)效應(yīng)

智能一體化系統(tǒng)的組成效應(yīng)是其涌現(xiàn)性產(chǎn)生的基礎(chǔ)，但僅有系統(tǒng)的各個(gè)組成部分是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要系統(tǒng)組成成分間維持一定的結(jié)構(gòu)相互作用，才能把涌現(xiàn)的可能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。如彈載智能一體化系統(tǒng)由發(fā)射單元、接收單元、指控單元和總線單元四大部分組成，其涌現(xiàn)性是各功能模塊按照一定結(jié)構(gòu)模式形成的結(jié)果，各模塊間的一體化作用也要通過其結(jié)構(gòu)模式才能體現(xiàn)，不同的結(jié)構(gòu)模式導(dǎo)致涌現(xiàn)特性的不同體現(xiàn)。例如，彈載智能一體化系統(tǒng)采取不同天線結(jié)構(gòu)布局，其系統(tǒng)偵察干擾能力會(huì)有所不同，必然也表現(xiàn)出不同程度的攻擊性能涌現(xiàn)性。

3）交互效應(yīng)

交互效應(yīng)描述的是智能一體化系統(tǒng)涌現(xiàn)性的動(dòng)力和演化過程。智能一體化系統(tǒng)各組成成分間通過信息傳遞實(shí)現(xiàn)交互，組成部分間的相互作用和協(xié)作導(dǎo)致系統(tǒng)整體信息量不斷演變，直至出現(xiàn)系統(tǒng)的涌現(xiàn)性特征。例如，智能一體化系統(tǒng)的單站通過協(xié)作對(duì)同一目標(biāo)共同實(shí)施偵察探測(cè)，各單站可以獲得關(guān)于目標(biāo)的有源探測(cè)信息（如目標(biāo)位置信息等）和無源偵察信息（如目標(biāo)輻射源特征信息等），而系統(tǒng)通過綜合處理各單站提供的多元信息，實(shí)現(xiàn)信息融合，從而產(chǎn)生關(guān)于目標(biāo)的新信息（如目標(biāo)敵我屬性、威脅程度等信息），并糾正消除關(guān)于目標(biāo)的錯(cuò)誤信息（如對(duì)目標(biāo)位置信息的綜合糾偏等），最終出現(xiàn)目標(biāo)精準(zhǔn)認(rèn)識(shí)的涌現(xiàn)特性。

4）環(huán)境效應(yīng)

智能一體化系統(tǒng)的涌現(xiàn)性還與環(huán)境因素有關(guān)。系統(tǒng)通過改變自我的協(xié)作方式，構(gòu)建同環(huán)境交換信息和能量的模式，從而利用環(huán)境資源，適應(yīng)環(huán)境約束，涌現(xiàn)新特性。例如，智能一體化系統(tǒng)重要的一個(gè)環(huán)境因素就是復(fù)雜電磁作戰(zhàn)環(huán)境，系統(tǒng)所涌現(xiàn)的干擾精確性能涌現(xiàn)性正是系統(tǒng)通過偵察信息實(shí)時(shí)感知，充分利用環(huán)境反饋結(jié)果，從而獲取認(rèn)知干擾能力，可以說，與外界環(huán)境交換信息是造就智能一體化系統(tǒng)精準(zhǔn)干擾涌現(xiàn)性的重要條件。

2 彈載智能一體化架構(gòu)

為滿足彈載智能一體化的功能需求，提出如圖1所示的一種系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)。系統(tǒng)組成包括硬件總線、硬件資源、軟件模塊、服務(wù)接口、資源調(diào)度與功能管理組件等。

圖1 智能多功能一體化系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

硬件總線實(shí)現(xiàn)硬件資源之間的信息快速交互，并為平臺(tái)控制以及資源調(diào)度與功能管理提供支持。軟件模塊和硬件資源之間的隔離與映射通過軟硬件接口完成。平臺(tái)功能模塊之間的連接和交互則通過應(yīng)用服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)。而資源調(diào)度與功能管理組件負(fù)責(zé)整個(gè)平臺(tái)軟硬件資源以及各個(gè)接口的調(diào)度與管理。

本平臺(tái)架構(gòu)脫胎于基于軟件無線電技術(shù)的電子戰(zhàn)平臺(tái)，采用模塊化設(shè)計(jì)，是硬件通用、功能軟件可重構(gòu)的開發(fā)式系統(tǒng)架構(gòu)。系統(tǒng)以開發(fā)性、可擴(kuò)展、結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)的硬件為通用平臺(tái)，把主被動(dòng)智能感知、智能突防、實(shí)時(shí)在線效能評(píng)估等功能用可重構(gòu)、可升級(jí)的模塊化軟件來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通用，功能實(shí)現(xiàn)靈活，使系統(tǒng)的改進(jìn)更為靈活，同時(shí)由于系統(tǒng)的主要功能都由軟件實(shí)現(xiàn)，可方便地采用各種新的信號(hào)處理手段，如機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等，來提高性能、增強(qiáng)功能，并且能在線實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理算法更新和升級(jí)。

通過以上架構(gòu)，彈載智能一體化系統(tǒng)可設(shè)計(jì)為一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，主要分為三個(gè)功能模塊：接收與感知模塊、發(fā)射與合成模塊和偵干探在線效能評(píng)估模塊，如圖2 所示。

圖2 智能一體化系統(tǒng)組成框圖

接收與感知模塊通過對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁信號(hào)的接收處理來感知外界環(huán)境，偵收到目標(biāo)回波信號(hào)或其輻射的電磁信號(hào)后，進(jìn)行測(cè)量、分類、特征提取和識(shí)別等數(shù)據(jù)處理分析過程，進(jìn)而提取出描述當(dāng)前目標(biāo)的核心參數(shù)特征，并傳送至發(fā)射合成和效果評(píng)估模塊，同時(shí)將感知信息發(fā)送給智能決策與控制單元實(shí)時(shí)優(yōu)化攻擊策略。

發(fā)射與合成模塊根據(jù)感知結(jié)果，并結(jié)合知識(shí)庫(kù)中的學(xué)習(xí)信息，搜索最佳的探測(cè)與干擾策略，同時(shí)進(jìn)行發(fā)射資源分配和探測(cè)干擾一體化波形優(yōu)化，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)實(shí)施探測(cè)與干擾。必要時(shí)發(fā)射通信信號(hào)。

偵干探在線效能評(píng)估模塊根據(jù)實(shí)施探測(cè)干擾前后電磁信號(hào)特征的變化來定量地分析探測(cè)干擾效果，得到當(dāng)前探測(cè)干擾措施的效能評(píng)估結(jié)果，優(yōu)化探測(cè)干擾策略，進(jìn)而促進(jìn)下一輪發(fā)射的合成。

智能一體化系統(tǒng)依靠智能決策與控制模塊實(shí)現(xiàn)一定的智能化能力，能夠在錯(cuò)綜復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，根據(jù)目標(biāo)狀態(tài)的不同自主地調(diào)整最佳的探測(cè)、突防、通信措施。

此外，動(dòng)態(tài)知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建也是智能一體化系統(tǒng)中不可或缺的，三個(gè)功能模塊都必須具備與之相對(duì)應(yīng)的能夠?qū)崟r(shí)更新知識(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，以便系統(tǒng)在工作過程中利用這些知識(shí)庫(kù)快速地獲取信息，并利用反饋和新捕獲的信息進(jìn)行智能學(xué)習(xí)，動(dòng)態(tài)更新知識(shí)庫(kù)。

3 特點(diǎn)分析

作為電子信息利用研究領(lǐng)域的前沿思想，彈載智能一體化信息裝備能精確感知復(fù)雜電磁環(huán)境，并具備有效對(duì)抗時(shí)敏目標(biāo)、未知目標(biāo)和認(rèn)知型目標(biāo)的能力。相較于常規(guī)作戰(zhàn)手段，具備以下顯著的優(yōu)勢(shì)：

1）實(shí)時(shí)精確的態(tài)勢(shì)感知能力。隨著彈載電子信息裝備的不斷發(fā)展，如何在日趨復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境中，準(zhǔn)確快速地對(duì)周邊環(huán)境及目標(biāo)進(jìn)行感知，已經(jīng)成為制約傳統(tǒng)電子裝備發(fā)展的瓶頸問題之一，而這恰恰是智能一體化發(fā)展成熟后所具備的能力。采用多站協(xié)同主被動(dòng)信息融合偵察探測(cè)，智能一體化系統(tǒng)能夠精確地識(shí)別目標(biāo)，掌握目標(biāo)全面信息，更有利于明確目標(biāo)意圖。

2）具備動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)和經(jīng)驗(yàn)累積能力。智能一體化除了具備自主認(rèn)知戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的能力以外，還具備近實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的學(xué)習(xí)和經(jīng)驗(yàn)積累能力。例如，在現(xiàn)有知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上，近實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地識(shí)別新出現(xiàn)的未知信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析，并將分析結(jié)果用于知識(shí)庫(kù)的更新。這樣，在面臨新的復(fù)雜電磁環(huán)境時(shí)，智能一體化系統(tǒng)可快速適應(yīng)該環(huán)境，并自主生成適用于該環(huán)境的決策。

3）具備智能決策和效能評(píng)估能力。與傳統(tǒng)彈載電子信息技術(shù)相比，智能一體化能夠通過分析目標(biāo)變化來推斷其當(dāng)前工作的形態(tài)與意圖，進(jìn)而通過智能決策來實(shí)施最優(yōu)的反制策略。策略實(shí)施后，繼續(xù)觀察目標(biāo)反饋信號(hào)，通過分析對(duì)比施加策略前后信號(hào)的變化，或者對(duì)目標(biāo)感知的變化進(jìn)行效能評(píng)估。這樣，通過評(píng)估來判斷施加策略的好壞，進(jìn)而反饋到智能決策模塊，進(jìn)一步對(duì)策略的合成進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到最佳的作戰(zhàn)效能。

4）具備有效對(duì)抗認(rèn)知系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的能力。在認(rèn)知無線電理論技術(shù)的基礎(chǔ)上，借助其核心“認(rèn)知”理念，在電子信息領(lǐng)域，迅速出現(xiàn)了認(rèn)知無線電臺(tái)、認(rèn)知無線網(wǎng)和認(rèn)知雷達(dá)等系統(tǒng)。這些認(rèn)知系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)周邊環(huán)境的變化，自主地轉(zhuǎn)變工作方式、調(diào)整參數(shù)、改變信號(hào)波形，在力求取得最佳作戰(zhàn)效能的同時(shí)，也大大提高了系統(tǒng)自身的抗干擾能力。面對(duì)這種“智能化”的對(duì)抗目標(biāo)，傳統(tǒng)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的效能必然大打折扣，然而智能一體化的技術(shù)核心也是“認(rèn)知能力”，可謂同根同源，具備優(yōu)越的“智能化”對(duì)抗能力，在實(shí)施對(duì)抗的過程中，是利用“智能化”對(duì)抗“智能化”，必將大大提高對(duì)抗認(rèn)知系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的能力。

5）具備優(yōu)良的隱蔽性和抗毀性。在當(dāng)前復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，傳統(tǒng)彈載信息系統(tǒng)對(duì)作戰(zhàn)對(duì)象的態(tài)勢(shì)感知不充分，深度、精度不到位，為了對(duì)雷達(dá)目標(biāo)實(shí)施有效突防，就必須依靠大功率壓制手段。盡管這種對(duì)抗手段很有效，但同時(shí)帶來了很多方面的問題，核心的就是干擾信號(hào)非常容易暴露，從而招致敵方的反輻射打擊。而智能一體化系統(tǒng)能夠在復(fù)雜多變的電磁環(huán)境中，深入、精確地進(jìn)行自主態(tài)勢(shì)感知，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確干擾，而無須依靠大功率壓制手段，減小了自身成為信標(biāo)的可能性，從而將大大提高導(dǎo)彈攻擊的隱蔽性和抗毀性。

4 技術(shù)途徑

根據(jù)彈載智能一體化系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)和作戰(zhàn)特點(diǎn)，初步得出，實(shí)現(xiàn)智能一體化系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括以下五點(diǎn)：

1）智能一體化系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)技術(shù)。彈載智能一體化需要具備靈活的智能控制能力，主要體現(xiàn)在未知目標(biāo)快速偵察、智能攻擊及策略優(yōu)化、攻擊效果評(píng)估、動(dòng)態(tài)知識(shí)庫(kù)管理等相關(guān)功能，需要基于軟件無線電和理論，采用標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)協(xié)議規(guī)范，通過硬件通用化、功能軟件化和軟件構(gòu)件化設(shè)計(jì)，構(gòu)建功能可重構(gòu)的開放式系統(tǒng)架構(gòu)，保證系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。

2）基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能偵察技術(shù)。為更好地描述作戰(zhàn)目標(biāo)的戰(zhàn)斗意圖、運(yùn)動(dòng)特性和功能特征，一體化系統(tǒng)需要從復(fù)雜電磁環(huán)境中獲取更多的信息，并根據(jù)更豐富的目標(biāo)特征來偵收和分選出有效信號(hào)。通過威脅特征學(xué)習(xí)和自適應(yīng)信號(hào)處理，獲得目標(biāo)信號(hào)特征。收集到足夠多的未知信號(hào)特征后，通過模糊聚類、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行分類和識(shí)別，從而構(gòu)建具備實(shí)時(shí)智能能力的偵察技術(shù)。

3）智能攻擊策略生成技術(shù)。根據(jù)作戰(zhàn)目標(biāo)的硬件、協(xié)議、運(yùn)作方法、軟件、固件的知識(shí)，制定最佳電子攻擊策略的技術(shù)。具體說，該技術(shù)是一種干擾優(yōu)化與決策技術(shù)，根據(jù)感知到的信息，在系統(tǒng)資源、用戶需求等約束下，給出最優(yōu)干擾策略。可采用蟻群優(yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法解決非線性干擾資源分配問題，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)健的多目標(biāo)攻擊。

4）攻擊效果評(píng)估與動(dòng)態(tài)反饋技術(shù)。對(duì)當(dāng)前攻擊策略的戰(zhàn)損效果進(jìn)行評(píng)估，并將評(píng)估結(jié)果反饋給系統(tǒng)來判斷上一次攻擊策略的性能優(yōu)劣，通過給定獎(jiǎng)勵(lì)值、懲罰值進(jìn)行優(yōu)化學(xué)習(xí)，從而確保系統(tǒng)功能進(jìn)化。攻擊效果評(píng)估模型可通過云模型、博弈論、灰色系統(tǒng)理論等進(jìn)行構(gòu)建。

5）動(dòng)態(tài)知識(shí)庫(kù)技術(shù)。動(dòng)態(tài)知識(shí)庫(kù)是智能一體化系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，也是系統(tǒng)其他功能模塊高效實(shí)現(xiàn)智能功能的有力支撐。動(dòng)態(tài)知識(shí)庫(kù)包含信號(hào)特征庫(kù)、對(duì)抗案例庫(kù)和攻擊策略庫(kù)，分別以不同形式存儲(chǔ)智能偵察、智能干擾和智能效能評(píng)估所取得的結(jié)果。動(dòng)態(tài)知識(shí)庫(kù)是系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)和推理的基礎(chǔ)，通過預(yù)先給定的先驗(yàn)知識(shí)和動(dòng)態(tài)的積累，為系統(tǒng)各模塊功能實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化提供依據(jù)。動(dòng)態(tài)知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)可基于Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，為方便數(shù)據(jù)信息的檢索和維護(hù)，知識(shí)庫(kù)需要預(yù)留人工接口。

5 結(jié)束語

彈載智能一體化信息裝備的研究發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)輻射源的快速感知、敵目標(biāo)高精度跟蹤、突防干擾決策生成和精確打擊，能夠形成一套解決當(dāng)前導(dǎo)彈系統(tǒng)面臨的主要問題的方法，可以用于導(dǎo)彈/飛機(jī)等武器系統(tǒng)突防、精確導(dǎo)引、目標(biāo)動(dòng)態(tài)識(shí)別跟蹤等技術(shù)領(lǐng)域，涉及到多種平臺(tái)的偵察、干擾和防護(hù)過程。應(yīng)用對(duì)象將來可擴(kuò)展到導(dǎo)彈武器、衛(wèi)星有效載荷、機(jī)載偵察、干擾、防護(hù)等軍事領(lǐng)域。可降低以上受限平臺(tái)中信息系統(tǒng)體積、質(zhì)量、成本，提高信息系統(tǒng)電磁兼容性、可靠性，具有廣闊的應(yīng)用前景、可觀的經(jīng)濟(jì)效益和重要的社會(huì)效益。本文思考了如何實(shí)現(xiàn)彈載多功能與智能化的辯證統(tǒng)一，分析與探討結(jié)果不僅可為后續(xù)彈載電子信息設(shè)備總體方案提供新的思路，而且能夠有力促進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展?！?/p>